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李宝军课题组:光学三维精准操控,向纳米尺度进军

2017-01-12

  将观察的触角伸向更加微小的空间尺度一直是科学家不渝的追寻,而今人们已经可以借助于各种探针手段实现纳米乃至原子尺度的原位探测。科学家当然不满足于此,他们还渴望实现微小尺度的实时精准操控。斩获2016年诺贝尔化学奖的分子机器即为分子操控领域的一个里程碑式贡献。

  分子机器的设计是借助于自下而上的化学合成手段,而自上而下的一些手段以其便易的宏观可操控性,也得到了人们的普遍关注。A. Ashkin在光镊领域的先驱性工作开拓了利用光学方法实现微小尺度物体操控的广阔方向。

  不过由于光学衍射极限以及布朗运动扰动的存在,当光镊施于100 nm以下的微小物体操控时,其陷俘强度被大幅削弱。近些年发展起来的等离激元光镊、光子晶体谐振腔等一些近场方法为光学操控和探测带来了新的契机,这些方法可以有效克服光学衍射极限问题,可在二维平面内操控单个纳米颗粒或生物分子,但其在三维操控上仍面临不少挑战。

图1 单纳米颗粒或生物分子的三维精准光操控

  近日,暨南大学李宝军教授和张垚教授在纳米操控光子学研究中取得重要进展。他们利用近场方案将光学三维操控的极限推进到几十个纳米尺度和单分子水平。相关研究成果于2016年12月2日发表在Light: Science & Applications [e16176, 5 (2016)]上。

  该研究团队提出了一种近场纳米光操控技术,即通过在抛物线形光纤尖端附着一个具有高折射率的介质(PS或TiO2)微透镜,使光会聚在亚衍射极限范围,从而产生一个稳定的纳米光学势阱,由此便可突破光学衍射极限,成功实现对直径为85 nm的单个介质颗粒以及单个DNA分子的三维精准操控。


图2 探针-微透镜的探测信号增强

  此外,利用这一方案,还能够实现纳米颗粒的荧光信号的增强。PS或TiO2微透镜此时可被视为高数值孔径的物镜,它们具有大的收集角,从而实现更高的收集效率。

  这一工作对单个纳米颗粒或生物分子能够实施精准、无损的三维操控,同时实现荧光探测信号的增强,在组装有序纳米结构及研究生物分子间相互作用等方面具有非常重要的应用价值。

  论文链接:http://www.nature.com/lsa/journal/v5/n12/full/lsa2016176a.html